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Schaltbare optische Spektren durch plasmonische Nanoantennen aus Yttrium-Dihydrid bzw. Yttrium-Trihydrid

Kurzfassung

Plasmonische Nanoantennen aus Yttrium-Dihydrid, deren optische Eigenschaften durch Zugeben von Wasserstoff reversibel geändert werden können, sind unabhängig von der Temperatur schaltbar. Durch die Möglichkeit die Nanoantennen mit etablierten Verfahren herzustellen, können sie vielfältig eingesetzt werden.

Hintergrund

Bisherige Ansätze, optische Eigenschaften schaltbar zu machen, umfassen bspw. optische Filter oder Absorber, die mechanisch geschaltet werden (z. B. drehbare Inter­ferenzfilter, Dehnfolien). Die mechanische Schaltung führt allerdings zu Verschleiß und somit einer Verkürzung der Lebensdauer. Nanooptische Schaltelemente können auf unterschiedlichste Arten verwendet werden.

Problemstellung

Es werden bereits Phasenwechselmaterialien genutzt, die in Kombination mit plasmonischen Antennen hoher Güte eingesetzt werden. Hierbei wird die plasmonische Antwort der Nanoantennen durch Veränderung der dielek­trischen Umgebung gesteuert, allerdings ist der Schaltkontrast zwischen den einzelnen Zuständen sehr gering. Andere Phasenwechselmaterialien wie z. B. Vanadium-oxid (VO2) können selbst als plasmonische Nano­antenne eingesetzt werden, allerdings nur in einem sehr begrenzten Tempe­raturbereich. Sie haben darüber hinaus sehr schlechte optische Eigenschaften.

Lösung

Wissenschaftler der Universität Stuttgart haben in einem von der Baden-Württemberg Stiftung gGmbH geförderten Projekt nun eine reversibel schaltbare Nanostruktur entwickelt, die auf einfache Art und Weise von einem metallischen, plas­monisch aktiven Zustand in einen nicht-metallischen, plasmonisch inaktiven Zustand geschaltet werden kann.
Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass Nanostrukturen aus Yttrium-Dihydrid (YH2) plas­monische Resonanzen aufweisen, deren optische Spektren durch die Geometrie der Antenne beeinflusst wird, und dass diese einfach und reversibel  zu Yttrium-Trihydrid (YH3) hydriert werden können, das keine plasmonische Resonanz ausbildet. Die Schaltung zwischen den beiden Hydrierungs­zuständen kann durch einfaches Zu- und Abschalten einer Wasserstoff­zufuhr erfolgen, da YH3 durch Zufuhr von Was­ser­stoff aus YH2 entsteht und beim Abschalten wieder zu (YH2) dehydriert.
Die Zufuhr des atomaren Wasserstoffs kann entweder von außen erfolgen, oder durch Anlegen einer Spannung an eine elektrochemische Quelle, was bspw. den Einsatz als Brillenfilter möglich macht.

Extinktionsspektrum von Yttrium, YH2 und YH3 Nanoantennen [Bild: Universität Stuttgart].
Extinktionsspektrum von Yttrium, YH2 und YH3 Nanoantennen [Bild: Universität Stuttgart].

Vorteile

  • Schalten durch Zufuhr von Wasserstoff
  • Reversibel schaltbar
  • Änderung des optischen Spektrums durch Änderung der Antennengeometrie
  • Hoher optischer Kontrast durch große Änderung des Spektrums
  • Einsatz unabhängig von Umgebungsbedingungen in verschiedenen Temperaturbereichen
  • Lange Lebensdauer, verschleiß- und alterungsfrei
  • Herstellung mit etablierten Verfahren

Anwendungsbereiche

Die möglichen Einsatzgebiete der erfindungsgemäßen Yttrium-Nanoantennen reichen von schaltbaren optischen Filtern (Brillenfilter) über optische Schaltelemente für z. B. Verzögerungsplatten, Phasenschieber, Modulatoren und Absorber, bis hin zur lokalen Ansteuerung von chemischen Reaktionen oder als Wasserstoffsensoren.

Exposé
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Entwicklungsstand
Validierung / TRL4
Patentsituation
DE 102014203488 A1 anhängig
Referenznummer
13/093TLB
Service
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